KR102250279B1 - 박막 태양 전지 - Google Patents

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재단법인 파동에너지 극한제어 연구단
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Abstract

하부 전극 및 상기 하부 전극으로부터 순차적으로 적층된 정공 수송층, 광활성층, 전자 수송층, 상부 전극 및 유전체 보호층을 포함하고; 상기 하부 전극의 상부면에 서로 이격되어 형성된 복수 개의 볼록 패턴 및 상기 볼록 패턴과 바로 이웃하는 볼록 패턴 사이에 형성된 평탄면을 구비하고; 상기 정공 수송층의 상부면, 상기 광활성층의 상부면, 상기 전자 수송층의 상부면, 상기 상부 전극의 상부면, 상기 유전체 보호층의 상부면에는 각각 상기 하부 전극의 상기 볼록 패턴에 나란하도록 볼록 패턴이 형성되고 상기 하부 전극의 평탄면에 나란도록 평탄면이 형성되고; 상기 볼록 패턴은 곡면 볼록 패턴이고; 상기 볼록 패턴은 종횡비가 0.5 내지 0.8인, 박막 태양 전지가 제공된다.

Description

박막 태양 전지{THIN LAYER SOLAR CELL}
본 발명은 박막 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 화석 연료의 고갈과 그에 따른 에너지원 가격 상승, 이산화탄소 배출에 대한 규제와 그에 따른 탄소 배출권 시장의 확대, 지구 온난화 등의 환경 문제를 해결해 줄 청정 대체 에너지원으로 주목을 받고 있다. 하지만, 태양 전지의 경우 효율에 있어, 증가 폭이 침체를 겪고 있어 기존의 광 흡수 및 전자, 정공 수집 특성을 크게 증가시킬 수 있는 구조가 필요하다. 특히, 유기 태양 전지의 경우 유기 광 흡수 물질의 낮은 전하 이동도로 인하여, 광 활성층의 두께는 수백 nm 이하로 제한이 될 수 밖에 없고 따라서 태양광을 충분히 흡수하지 못한다. 태양 전지의 표면적을 넓게 하는 방법이 고려될 수 있으나 공간상 제약, 제조 비용이 증가할 수 밖에 없으며, 수평 방향의 단위 표면적 당 광 흡수 효율을 높이는데 한계가 있다.
이에 태양 전지 구성 물질에 관계없이 전반에 걸쳐 전자-정공 재결합 증가 없이 광 흡수를 높일 수 있는 금속 구조 및 금속 입자 등을 이용한 새로운 광 흡수 기술 및 태양전지 구조가 필요하다.
본 발명의 배경 기술은 한국공개특허 제10-2017-0113193호 등에 기술되어 있다.
태양 전지 중 광 활성층에서 흡수하는 가시광선 대역 내에서의 광 흡수 효율을 높일 수 있는 박막 태양 전지를 제공하는 것이다.
태양 전지 중 광 손실이 강하게 일어나는 단파장 및 중간 파장 영역의 광 에너지 흡수 효율을 높이고 광 전하를 발생시켜 광 흡수 효율을 높일 수 있는 박막 태양 전지를 제공하는 것이다.
광 전환 효율의 손실 없이 생성된 광 전하를 이동 및 전송 가능하게 하여 효율을 높일 수 있는 박막 태양 전지를 제공하는 것이다.
나노 구조 및 입자에 의한 전기적 손실을 막을 수 있는, 균일하고, 방해 없는 전자-홀 전송 경로 및 흡수를 제공할 수 있는 박막 태양 전지를 제공하는 것이다.
박막 태양 전지는 하부 전극 및 상기 하부 전극으로부터 순차적으로 적층된 정공 수송층, 광 활성층, 전자 수송층, 상부 전극 및 유전체 보호층을 포함하고, 상기 하부 전극의 상부면에 서로 이격되어 형성된 복수 개의 볼록 패턴 및 상기 볼록 패턴과 바로 이웃하는 볼록 패턴 사이에 형성된 평탄면을 구비하고, 상기 정공 수송층의 상부면, 상기 광 활성층의 상부면, 상기 전자 수송층의 상부면, 상기 상부 전극의 상부면, 상기 유전체 보호층의 상부면에는 각각 상기 하부 전극의 상기 볼록 패턴에 나란하도록 볼록 패턴이 형성되고 상기 하부 전극의 평탄면에 나란도록 평탄면이 형성되고, 상기 볼록 패턴은 곡면 볼록 패턴이고, 상기 볼록 패턴은 종횡비가 0.5 내지 0.8이다.
일 구체예에서, 상기 곡면 볼록 패턴은 두께 방향 단면이 반원형 또는 반타원형일 수 있다.
일 구체예에서, 상기 하부 전극의 전체 면적 중 평탄면의 전체 면적의 비율은 10% 내지 70%일 수 있다.
일 구체예에서, 상기 광 활성층은 p-타입 폴리머, n-타입 폴리머의 1:0.5 내지 1:4의 중량비의 혼합물로 형성된 유기 광 활성층을 포함할 수 있다.
태양 전지 중 광 활성층에서 흡수하는 가시광선 대역 내에서의 광 흡수 효율을 높일 수 있는 박막 태양 전지를 제공하였다.
태양 전지 중 광 손실이 강하게 일어나는 단파장 및 중간 파장 영역의 광 에너지 흡수 효율을 높이고 광 전하를 발생시켜 광 흡수 효율을 높일 수 있는 박막 태양 전지를 제공하였다.
광 전환 효율의 손실 없이 생성된 광 전하를 이동 및 전송 가능하게 하여 효율을 높일 수 있는 박막 태양 전지를 제공하였다.
나노 구조 및 입자에 의한 전기적 손실을 막을 수 있는, 균일하고, 방해 없는 전자-홀 전송 경로 및 흡수를 제공할 수 있는 박막 태양 전지를 제공하였다.
도 1은 본 발명 일 실시예의 태양 전지의 두께 방향 단면도이다.
도 2는 본 발명 일 실시예의 태양 전지에서 평탄면 부분을 확대한 것이다.
도 3은 비교예의 태양 전지의 두께 방향 단면도이다.
도 4는 실시예 1과 비교예 1의 광 파장에 따른 광 흡수율 평가 결과이다.
도 5는 실시예 1의 광 파장에 따른 광 흡수율 증가 평가 결과이다.
도 6은 실시예 1과 비교예 1의 광 파장에 따른 전기장 분포도(Enorm) 평가 결과이다. 도 6에서 6a는 실시예 1의 입사파장 440nm의 TM 편광, 6b는 실시예 1의 입사파장 440nm의 TM 편광, 6c는 비교예 1의 입사파장 440nm에서의 결과이다.
도 7은 실시예 1과 비교예 1의 광 파장에 따른 엑시톤 생성율 분포도(Gopt) 평가 결과이다. 도 7에서 7a는 실시예 1의 입사파장 440nm의 TM 편광, 7b는 실시예 1의 입사파장 440nm의 TM 편광, 7c는 비교예 1의 입사파장 440nm에서의 결과이다.
도 8은 실시예 1과 비교예 1의 태양 전지에 대해 전압에 따른 전류 곡선을 평가하여, 변환 효율과 단락 전류를 평가한 것이다.
도 9는 실시예 1, 비교예 1의 태양 전지의 전하 이동과 수송 특성의 평가 결과이다. 도 9에서, 9a는 TM 편광하, λ=440nm의 파장, 전압 = 0V의 정공 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 9b는 TE 편광하, λ=440nm의 파장, 전압 = 0V의 정공 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 9c는 비교예 1의 λ=440nm의 파장, 전압 = 0V의 정공 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표) 도면이다. 9d는 TM 편광하, λ=440nm의 파장, 전압 = 0V의 전자 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 9e는 TE 편광하, λ=440nm의 파장, 전압 = 0V의 전자 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표), 9f는 비교예 1의 λ=440nm의 파장, 전압 = 0V의 전자 전류 밀도 (색 분포) 및 전류 흐름 (화살표) 도면이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 이러한 실시예는 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며, 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 박막 태양 전지는 하부 전극 및 하부 전극으로부터 순차적으로 적층된 정공 수송층, 전자 수송층, 상부 전극 및 유전체 보호층을 포함한다.
박막 태양 전지에서, 하부 전극의 상부면, 정공 수송층의 상부면, 전자 수송층의 상부면, 상부 전극의 상부면, 유전체 보호층의 상부면은 각각 서로 이격되어 형성된 복수 개의 볼록 패턴 및 상기 볼록 패턴과 바로 이웃하는 볼록 패턴 사이에 형성된 평탄면을 구비한다. 정공 수송층의 상부면, 전자 수송층의 상부면, 상부 전극의 상부면, 유전체 보호층의 상부면에 각각 형성된 볼록 패턴은 하부 전극의 상부면에 형성된 볼록 패턴과 나란하게 형성되어 있다. 정공 수송층의 상부면, 전자 수송층의 상부면, 상부 전극의 상부면, 유전체 보호층의 상부면에 각각 형성된 평탄면은 하부 전극의 상부면에 형성된 평탄면과 나란하게 형성되어 있다.
상기 볼록 패턴에 대해 "나란하게 형성되어 있다"는 것은 하기 상술되는 볼록 패턴의 중심이 서로 어긋나 있지 않고 동일 직선 상에 있음을 의미한다. 상기 평탄면에 대해 "나란하게 형성되어 있다"는 것은 하기 상술되는 평탄면의 중심이 서로 어긋나 있지 않고 동일 직선 상에 있음을 의미한다.
볼록 패턴은 곡면 볼록 패턴이고, 볼록 패턴은 종횡비가 0.5 내지 0.8이다. 상기 "종횡비"는 볼록 패턴의 최대폭에 대한 높이의 비(볼록 패턴의 높이/볼록 패턴의 최대폭)를 의미한다.
이를 통해, 본 발명의 태양 전지는 박막의 유기 광 활성층을 포함하더라도 광 흡수율, 광전 변환 효율을 높일 수 있다.
이하, 도 1을 참고하여, 본 발명의 태양 전지를 설명한다. 도 1은 본 발명 일 실시예의 태양 전지의 두께 방향 단면도이다.
도 1을 참고하면, 태양 전지는 하부 전극(110), 정공 수송층(120), 광 활성층(130), 전자 수송층(140), 상부 전극(150), 유전제 보호층(160)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
태양 전지에 있어서, 도 1에서 도시된 바와 같이, 외부 광은 유전체 보호층(160), 상부 전극(150), 전자 수송층(140), 광 활성층(130), 정공 수송층(120), 하부 전극(110)의 순서로 투과되면서 광전 효과를 나타낸다.
하부 전극(110)의 상부면에는 복수 개의 볼록 패턴(111), 볼록 패턴(111)과 이웃하는 볼록 패턴(111) 사이에 형성된 형성된 평탄면(112)이 형성되어 있다. 상기 "볼록 패턴"은 외부광이 있는 방향 즉 도 1에서 상부쪽으로 돌출된 형태의 패턴을 의미한다.
볼록 패턴(111)은 종횡비가 0.5 내지 0.8이다. 상기 범위에서, 본 발명의 볼록 패턴과 평탄면이 형성된 태양 전지에 있어서 광전 변환 효율과 광 흡수율을 높일 수 있다. 바람직하게는, 종횡비는 0.5 내지 0.6이 될 수 있다.
볼록 패턴(111)에는 중심이 존재한다. 상기 "중심"은 볼록 패턴의 최대폭의 1/2에 대응되는 곡면의 일 점을 의미한다. 이것은 정공 수송층(120), 광활성층(130), 전자 수송층(140), 상부 전극(150), 유전체 보호층(160)에도 동일하게 적용된다.
볼록 패턴(111)은 최대폭(예를 들면 R2의 2배)이 100nm 내지 600nm, 바람직하게는 200nm 내지 300nm가 될 수 있다. 볼록 패턴은 최대 높이(R1)가 50nm 내지 480nm, 바람직하게는 100nm 내지 150nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 종횡비에 용이하게 도달할 수 있고, 수광 면적을 넓혀 광전 변환 흡수율을 보다 높일 수 있다.
볼록 패턴(111)은 곡면 볼록 패턴으로서, 두께 방향 단면이 반타원, 반원 또는 반오벌형이 될 수 있다. 바람직하게는, 볼록 패턴(111)은 반원형 또는 반타원형이 됨으로써 본 발명의 태양 전지에서 광전 변환 효율과 광 흡수율을 보다 높일 수 있다. 곡면 볼록 패턴은 요철이 형성되지 않더라도 본 발명의 적층 구조를 가짐으로써 광전 변환 효율을 높일 수 있다.
태양 전지에 있어서, 볼록 패턴(111)의 최대폭은 서로 다르게 할 수도 있지만, 서로 동일하게 함으로써, 전자 수송층, 광 활성층, 정공 수송층, 상부 전극, 유전제 보호층에서의 볼록 패턴의 형성을 용이하게 할 수 있다.
볼록 패턴(111) 및 이웃하는 볼록 패턴(111) 사이에는 평탄면(112)이 형성되어 있다. 평탄면(112)은 평탄면 없이 볼록 패턴(111)만 형성된 태양 전지 대비 광전 변환 효율을 높일 수 있다.
태양 전지에 있어서, 태양 전지의 하부 전극(110)의 전체 면적 중 평탄면의 전체 면적의 비율은 10% 내지 70%, 예를 들면 40% 내지 60%가 될 수 있다. 상기 범위에서, 광전 변환 효율을 보다 높일 수 있다. 평탄면(112)는 소정 범위의 폭을 가지며, 평탄면(112)의 폭은 볼록 패턴의 최대폭보다는 작고, 예를 들면 평탄면(112)의 폭은 50nm 내지 700nm, 구체적으로 300nm 내지 500nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 광전 변환 효율을 보다 높일 수 있다.
평탄면의 중심은 평탄면의 최대폭의 1/2에 해당되는 지점을 의미한다.
태양 전지에 있어서, 볼록 패턴의 중심과 이웃하는 볼록 패턴의 중심 간의 최소 거리는 주기(P)를 형성한다. 주기(P)는 500nm 내지 1000nm, 구체적으로 600nm 내지 800nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 혼합된 다중 플라즈모닉 효과가 있을 수 있다.
하부 전극(110)은 산화인듐주석, 산화인듐아연, 산화인듐갈륨아연, 산화인듐주석아연, 갈륨도핑 산화아연, 알루미늄도핑 산화아연, 불소도핑 산화주석, 산화아연주석, 산화인듐갈륨, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중 하나 이상을 포함하는 금속 산화물 투명 전극; 전도성 고분자, 그래핀, 그래핀 산화물, 탄소나노튜브 등을 포함하는 유기 투명 전극; 금속이 결합된 탄소나노튜브와 같은 유기-무기 결합 투명 전극; 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 망간(Mn), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr) 등의 금속 원소로 형성된 금속 전극; 또는 상기 금속 원소를 포함하는 전구체, 예를 들면 질산은(AgNO3), Cu(HAFC)2 (Cu(hexafluoroacetylacetonate)2,), Cu(HAFC)(1,5-Cyclooctanediene), Cu(HAFC)(1,5-Dimethylcyclooctanediene), Cu(HAFC)(4-Methyl-1-pentene), Cu(HAFC)(Vinylcyclohexane), Cu(HAFC)(DMB), Cu(TMHD)2(Cu (tetramethylheptanedionate)2), DMAH(dimethylaluminum hydride), TMEDA(tetramethylethylenediamine), DMEAA(dimethylethylamine alane, NMe2Et·AlH3), TMA(trimethylaluminum), TEA(triethylaluminum), TBA(triisobutylaluminum), TDMAT(tetra(dimethylamino)titanium), TDEAT(tetra(dimethylamino)titanium) 등일 수 있다.
바람직하게는, 하부 전극(110)은 금속 전극이고, 더 바람직하게는 은 전극일 수 있다.
하부 전극(10)의 두께[이때 두께는 볼록 패턴의 높이를 제외한 하부 전극의 하부면에서 평탄면까지의 두께를 의미한다]는 100nm 내지 500nm, 바람직하게는 100nm 내지 300nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 기계적 강도를 높일 수 있다.
정공 수송층(120)의 상부면에는 하부 전극(110)에 나란하도록 볼록 패턴과 평탄면이 형성되어 있다.
정공 수송층(120)은 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 바나디움(V), 리튬(Li), 텅스텐(W), 아연(Zn) 또는 구리(Cu)의 산화물, 예를 들면 MoO3, NiOx, V2O5, LiF, WO3, ZnO, CuOx 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 정공 수송층은 MoO3를 포함할 수 있다.
정공 수송층(120)의 두께는 2nm 내지 50nm, 바람직하게는 5nm 내지 10nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 전기적 전송도를 보장하며, 전자 및 정공 흡수를 높일 수 있다.
광 활성층(130)의 상부면에는 하부 전극(110)에 나란하도록 볼록 패턴과 평탄면이 형성되어 있다.
광 활성층(130)은 유기 광 활성층, 무기 광 활성층 중 1종 이상으로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 광 활성층은 유기 광 활성층을 포함할 수 있다.
무기 광 활성층은 무정형 실리콘, 폴리 실리콘, 결정형 실리콘, 구리 인듐 갈륨 셀레나이드 중 1종 이상을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
유기 광 활성층은 p-타입 폴리머, n-타입 폴리머 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 일 구체예에서, 유기 광 활성층은 p-타입 폴리머, n-타입 폴리머를 1:0.5 내지 1:4의 중량비, 바람직하게는 1:0.5 내지 1:1.5의 중량비로 포함할 수 있다. 상기 중량비 범위에서, 최적의 광흡수 효과가 있을 수 있다.
p-타입 폴리머는 poly-3-hexylthiophene(P3HT), poly-3-octylthiophene(P3OT), poly-p-phenylenevinylene(PPV), poly(2-methoxy, 5-(2-ethyle-hexyloxy)-1, 4-phenylenevinylene(MEH-PPV), poly(2-methyl, 5-(3', 7'-dimethyloctyloxy))-1, 4-phenylenevinylene(MDMO-PPV), poly(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo(1,2-b:4,5-b‘)dithiophene-co-3-fluorothieno(3,4-b)thiophene-2-carboxylate(PTB7-Th) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
n-타입 폴리머는 (6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PC61BM), (6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM), fullerene(C60), (6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester(ThCBM), 탄소나노튜브, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
광 활성층(130)은 퀀텀닷, 페로브스카이트 물질 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
광 활성층(130)의 두께는 태양 전지의 광 흡수율 및 최종 효율을 제어할 수 있는 파라미터이다. 광 활성층의 두께는 10nm 내지 150nm, 바람직하게는 50nm 내지 100nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 광 흡수율과 최종 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
전자 수송층(140)의 상부면에는 하부 전극(110)에 나란하도록 볼록 패턴과 평탄면이 형성되어 있다.
전자 수송층(140)은 bilayered fulleropyrrolidinium iodide(FPI)-polyethyleneimine(FPI-PEIE)를 포함할 수 있다.
전자 수송층(140)의 두께는 10nm 내지 50nm, 바람직하게는 10nm 내지 20nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 전기적 전송도를 보장하며, 전자 및 정공 흡수를 높일 수 있다.
상부 전극(150)의 상부면에는 하부 전극(110)에 나란하도록 볼록 패턴과 평탄면이 형성되어 있다.
상부 전극(150)은 하부 전극(110)에서 나열된 물질 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상부 전극은 금속 전극이고, 더 바람직하게는 은 전극일 수 있다.
상부 전극(150)의 두께는 5nm 내지 20nm, 바람직하게는 10nm 내지 15nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 광 흡수율을 극대화 하며, 기계적 강도를 높일 수 있다.
유전체 보호층(160)의 상부면에는 하부 전극(110)에 나란하도록 볼록 패턴과 평탄면이 형성되어 있다.
유전체 보호층(160)은 TeO2, TiO2, polyacrylic acid(PAA), polymethyl methacrylate(PMMA) 및 poly(allylamine hydrochloride(PAH) 중 하나 이상으로 형성된 코팅층을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 유전체 보호층(160)은 TeO2를 포함할 수 있다.
유전체 보호층(160)의 두께는 30nm 내지 100nm, 바람직하게는 40nm 내지 60nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 태양 전지의 기계적 강도를 높일 수 있다.
태양 전지에 있어서, 하부 전극(110), 정공 수송층(120), 광 활성층(130), 전자 수송층(140), 상부 전극(150), 유전체 보호층(160)의 상부면에는 각각 상술한 평탄면이 형성되어 있다. 본 발명의 태양 전지에서는 상술한 평탄면의 최대폭이 서로 동일하지 않다. 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 하부 전극의 평탄면의 폭(L1), 정공 수송층의 평탄면의 폭(L2), 광 활성층의 평탄면의 폭(L3), 전자 수송층의 평탄면의 폭(L4), 상부 전극의 평탄면의 폭(L5), 유전체 보호층의 평탄면의 폭(L6)은 하부 전극, 정공 수송층, 광 활성층, 전자 수송층, 상부 전극, 유전체 보호층으로 갈수록 감소한다. 이를 통해, 상술한 종횡비를 갖는 볼록 패턴을 구비한 태양 전지에 있어서 각 층의 역할을 유지하면서 광 손실을 막고 광전 변환 효율을 높일 수 있다.
태양 전지에 있어서, 하부 전극의 볼록 패턴과 평탄면, 정공 수송층의 볼록 패턴과 평탄면, 광 활성층의 볼록 패턴과 평탄면, 전자 수송층의 볼록 패턴과 평탄면, 유전체 보호층의 볼록 패턴과 평탄면은 각각의 공정에 의해 제조되거나 일련의 하기 공정에 의해 제조된다.
구체적으로, 자체 조립(self-assembly), PDMS(폴리디메틸실록산)-몰딩, 연신 PDMS 시트(stretching PDMS sheets), 또는 기계적 이완 PDMS (mechanical release PDMS) 등으로 제작이 가능하며, 이외에도 다양한 방법으로 제작할 수 있다. 예를 들면, mechanical release PDMS 방법을 이용하는 경우, poly(ethylene glycol diacrylate)(p(EGDA))을 PDMS 기판 위에 증착하고, 압력을 가한다. 이후 진공 하에서 40℃로 가열하여 공동 구조를 제조할 수 있다. 이와 같은 공동 구조위에 금속 증착을 통해 하부 전극층을 형성한다. 그 후 Spin-coating의 방법으로 정공 수송층, 광 활성층, 전자 수송층을 각각 적층하고, 이후 금속 증착을 통해 상부 전극을, 유전체 증착 또는 spin-coating을 통해 유전체 보호층을 형성하여 태양 전지를 제작한다.
이하, 본 발명을 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3에 의해 보다 상세히 설명한다.
실시예 1
하부 전극으로 두께 100nm의 은 전극; 정공 수송층으로 두께 5nm의 MoO3; 광 활성층으로 두께 100nm의 PTB7-TH와 PC71BM의 1:1의 중량비의 혼합물로 이루어진 유기 광 활성층; 전자 수송층으로 두께 10nm의 FPI-PEIE으로 이루어진 층; 상부 전극으로 두께 12nm의 은 전극; 유전체 보호층으로 두께 50nm의 TeO2층이 순차적으로 적층되고; 단면이 반타원 형상인 볼록 패턴(최대폭: 300nm, 높이: 150nm, 종횡비: 0.5), 평탄면(폭: 400nm), 주기가 700nm가 되도록 볼록 패턴과 평탄면이 교대로 형성된 도 1, 도 2의 형상을 갖는 태양 전지를 제조하였다. 하부 전극의 전체 면적 중 평탄면의 전체 면적의 비율은 43%이다.
실시예 2
실시예 1에서 종횡비를 0.8로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 실시하여 박막 태양 전지를 제조하였다.
비교예 1
도 3에서 비교예 1에서 제조되는 태양 전지의 두께 방향 단면을 나타내었다. 도 3을 참조하면, 하부 전극(10), 정공 수송층(20), 광 활성층(30), 전자 수송층(40), 상부 전극(50), 유전체 보호층(60)이 순차적으로 적층되고, 하부 전극(10), 정공 수송층(20), 광 활성층(30), 전자 수송층(40), 상부 전극(50), 유전체 보호층(60)의 상부면은 각각 평탄면이다.
하부 전극으로 두께 100nm의 은 전극; 정공 수송층으로 두께 5nm의 MoO3; 광 활성층으로 두께 100nm의 PTB7-TH와 PC71BM의 혼합물로 이루어진 층; 전자 수송층으로 두께 10nm의 FPI-PEIE으로 이루어진 층; 상부 전극으로 두께 12nm의 은 전극; 유전체 보호층으로 두께 50nm의 TeO2층이 순차적으로 적층된 것으로 사용하였다.
비교예 2
실시예 1에서, 볼록 패턴의 종횡비를 0.45로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 실시하여 박막 태양 전지를 제조하였다.
비교예 3
실시예 1에서, 볼록 패턴의 종횡비를 0.85로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 실시하여 박막 태양 전지를 제조하였다.
실험예
실시예 1과 비교예 1에서 제조한 태양 전지 모형에 있어서 광 흡수 및 효율 성능을 평가하였으며, 그 결과를 도 4, 도 5에 나타내었다. 도 4를 참조하면, 실시예 1에서 광 흡수가 전체적으로 증가하였으며, AM1.5G 태양광 하에서 광 흡수율 11.2%가 증가되었다.
실시예 1과 비교예 1에서 제조한 태양 전지 모형에 있어서 전기장 분포도(Enorm) 및 엑시톤 생성율 분포도(Gopt)를 확인하고 그 결과를 도 6, 도 7에 나타내었다. 도 6, 도 7에서 나타나는 바와 같이, 중간 파장 영역 400 내지 500nm에서도 매우 강한 전자장 집속 및 엑시톤이 생성되어, 태양전지의 효율이 현저하게 됨을 확인할 수 있다.
실시예 1과 비교예 1에서 제조한 태양 전지 모형에 있어서 전압에 따른 전류 곡선을 평가하여, 변환 효율과 단락 전류를 평가하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8에서 도시된 바와 같이, 실시예 1에서 제조된 태양전지는 단락 광전류 밀도(short-circuit photocurrent density; Jsc) 20.7mA/cm2, 개방 전압(open-circuit voltage; Voc) 805mV, FF(fill factor) 70.4%에서 photo-conversion efficiency(PCE) 11.71%로 나타났다. 즉, 본 발명의 태양 전지는 혼합된 플라즈모닉 모드의 강한 광 집속으로 인해, 광 흡수 효율이 매우 증가하고, 광전환 효율의 손실 없이, 생성된 광-전하를 이동, 수송하여, 유기 태양전지의 효율을 5.3% 향상시켰다.
실시예 1, 비교예 1의 태양 전지에 대해 전하 이동 및 수송 특성을 분석하고 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에서 나타난 바와 같이, 실시예 1은 비교예 1에 비하여 전자 및 정공의 이동 및 수송 손실없이, 전류 밀도 및 흐름이 형성되어, 흡수된 태양 광 손실 없이 높은 효율 구현이 가능함을 확인할 수 있다.
비교예 2의 태양 전지에 비해 실시예 1의 광 흡수율은 1.5%가 증가되었다.
비교예 3의 태양 전지에 비해 실시예 1의 광 흡수율은 2%가 증가되었다.
실시예 2도 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3 대비 광 흡수율이 증가되었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (4)

  1. 하부 전극 및 상기 하부 전극으로부터 순차적으로 적층된 정공 수송층, 광 활성층, 전자 수송층, 상부 전극 및 유전체 보호층을 포함하고;
    상기 하부 전극의 상부면에 서로 이격되어 형성된 복수 개의 곡면의 볼록 패턴 및 상기 곡면의 볼록 패턴과 바로 이웃하는 곡면의 볼록 패턴 사이에 형성된 평탄면을 구비하고;
    상기 정공 수송층의 상부면, 상기 광 활성층의 상부면, 상기 전자 수송층의 상부면, 상기 상부 전극의 상부면, 상기 유전체 보호층의 상부면에는 각각 상기 하부 전극의 상기 곡면의 볼록 패턴에 나란하도록 곡면의 볼록 패턴이 형성되고 상기 하부 전극의 평탄면에 나란도록 평탄면이 형성되고;
    상기 하부 전극의 상부면에 형성된 상기 곡면의 볼록 패턴은 종횡비가 0.5 내지 0.8이고,
    상기 하부 전극의 상기 평탄면의 폭, 상기 정공 수송층의 상기 평탄면의 폭, 상기 광 활성층의 상기 평탄면의 폭, 상기 전자 수송층의 상기 평탄면의 폭, 상기 상부 전극의 상기 평탄면의 폭, 상기 유전체 보호층의 상기 평탄면의 폭은 상기 하부 전극, 상기 정공 수송층, 상기 광 활성층, 상기 전자 수송층, 상기 상부 전극, 상기 유전체 보호층의 순서로 갈수록 감소하는 것인, 박막 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 곡면의 볼록 패턴은 두께 방향 단면이 반원형 또는 반타원형인 것인, 박막 태양 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하부 전극의 전체 면적 중 평탄면의 전체 면적의 비율은 10% 내지 70%인 것인, 박막 태양 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광 활성층은 p-타입 폴리머, n-타입 폴리머의 1:0.5 내지 1:4의 중량비의 혼합물로 형성된 유기 광 활성층을 포함하는 것인, 박막 태양 전지.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003298085A (ja) * 2002-03-29 2003-10-17 Tdk Corp 太陽電池およびその製造方法
JP2014241372A (ja) * 2013-06-12 2014-12-25 株式会社クラレ 光電変換素子及びその製造方法
JP2017147257A (ja) * 2016-02-15 2017-08-24 株式会社クラレ 光電変換素子とその製造方法、および太陽電池

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003298085A (ja) * 2002-03-29 2003-10-17 Tdk Corp 太陽電池およびその製造方法
JP2014241372A (ja) * 2013-06-12 2014-12-25 株式会社クラレ 光電変換素子及びその製造方法
JP2017147257A (ja) * 2016-02-15 2017-08-24 株式会社クラレ 光電変換素子とその製造方法、および太陽電池

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